Ispirato alla seta di ragno estremamente resistente, i ricercatori di NTNU hanno sviluppato un nuovo materiale che sfida i compromessi visti in precedenza tra tenacità e rigidità.

Il materiale è un tipo di polimero noto come elastomero perché ha un'elasticità simile alla gomma. L'elastomero di nuova concezione presenta molecole che hanno otto legami idrogeno in un'unità ripetitiva, e sono questi legami che aiutano a distribuire uniformemente lo stress messo sul materiale e lo rendono così resistente.

"Gli otto legami idrogeno sono l'origine delle straordinarie proprietà meccaniche, "dice Zhiliang Zhang, professore di meccanica e materiali presso il Dipartimento di Ingegneria Strutturale della NTNU. Il materiale è stato sviluppato presso NTNU NanoLab e parzialmente finanziato dal Consiglio di ricerca norvegese.

Sostanza rigida e resistente

L'idea di introdurre un numero maggiore del solito di legami idrogeno è venuta dalla natura. "La seta di ragno contiene lo stesso tipo di struttura, "dice Yizhi Zhuo, che ha sviluppato il nuovo materiale come parte del suo dottorato di ricerca. e lavoro post-dottorato. "Sapevamo che avrebbe potuto portare a proprietà molto speciali".

Gli scienziati hanno precedentemente notato che la seta di ragno, in particolare la seta dragline, che fornisce i raggi e il bordo esterno della tela di un ragno, è eccezionalmente rigido e resistente.

Rigidità e tenacità sono proprietà distinte in ingegneria, e spesso sono in opposizione. I materiali rigidi possono sopportare molte sollecitazioni prima di deformarsi, mentre i materiali duri possono assorbire molta energia prima di rompersi. Bicchiere, Per esempio, è rigido ma non duro.

Maggiore tenacità

Fino ad ora, replicare la doppia rigidità e tenacità della seta di ragno negli elastomeri sintetici non è stato possibile. "Con materiali commerciali, se vuoi avere una rigidità maggiore, hai una durezza inferiore. È uno scambio. Non puoi avere entrambi, "dice Zhang.

Il nuovo elastomero del team presenta domini rigidi e morbidi distinti. Dopo averlo ideato e realizzato, il team ha utilizzato un microscopio a forza atomica, con una risoluzione di frazioni di nanometro, per osservare la struttura sottostante del materiale, e osservare l'interfaccia tra le regioni hard e soft.

Hanno visto che oltre agli otto legami idrogeno che distribuiscono lo stress, la discrepanza di rigidità tra i domini duro e morbido ha contribuito a dissipare ulteriormente l'energia incoraggiando eventuali crepe a diramarsi invece di continuare lungo un percorso rettilineo. "Se hai uno zig-zag, crei una grande superficie di frattura e dissipi più energia, quindi hai una maggiore tenacità, "dice Zhang.

Un futuro nell'elettronica flessibile?

Oltre alle sue proprietà meccaniche, il materiale è otticamente trasparente e la ricerca suggerisce che potrebbe anche autorigenerarsi a temperature superiori a 80 °C. Se la produzione può essere aumentata, il nuovo materiale potrebbe un giorno essere utilizzato nell'elettronica flessibile, in particolare nei dispositivi indossabili che sono più soggetti a danni e rotture.

Zhang e i suoi colleghi hanno depositato un brevetto per il loro materiale a marzo, ma continuano a lavorare sull'introduzione di altre proprietà desiderabili. I domini morbidi nel loro materiale sono costituiti da un polimero a base di silicio noto come PDMS, ma i ricercatori sospettano di poter migliorare ulteriormente le proprietà meccaniche sperimentando con altre sostanze.

Vorrebbero anche estendere le proprietà del materiale per includere l'antigelo, che impedisce al ghiaccio di attaccarsi ad esso a basse temperature, e l'antivegetativa, che impedisce agli organismi acquatici come cozze e alghe di attaccarsi ad esso, in modo che possa essere utilizzato in condizioni estreme, come l'Artico. "Questo materiale è un buon punto di partenza, ma vogliamo aggiungere qualche altra funzionalità, "dice Zhang.